7月24日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了物理学院吴英海副教授参与的论文《三层石墨烯中可调控的偶数和奇数分母分数量子霍尔态》（Tunable even- and odd-denominator fractional quantum Hall states in trilayer graphene）。南京大学王雷教授、吴英海副教授、中国科学院物理研究所刘广同研究员为论文的通讯作者，其他作者包括中国科学院强磁场科学中心匡光力研究员和郗传英研究员、中国科学院物理研究所吕力研究员，中国科学院大学卡弗里理论科学研究所张富春教授和朱征助理教授、日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi等。

当电子被束缚在二维平面上并置于强磁场中时，它们形成朗道能级，如果相互作用很强则可以产生分数量子霍尔效应。此类物态具有丰富的物理性质，特别是存在分数化元激发，在过去四十年中一直是凝聚态物理研究的重点之一。自从石墨烯发现以来，对其中量子霍尔效应的研究取得了众多成果。王雷教授在这一方向积累了十多年的经验，回国工作以来指导研究生开展了进一步探索。在本项工作中，他们制备了高质量的Bernal堆叠三层石墨烯，并且成功观测到一系列分数量子霍尔态，而此前的研究则未能提供清晰的实验证据。三层石墨烯的朗道能级具有丰富的结构，在外加电磁场中呈现复杂的混合和交叉，为调控分数量子霍尔态创造了有利条件。

分数量子霍尔态出现在朗道能级具有某些填充因子的时候，它们是有理数且分母一般而言是奇数。一个重要的例外是Moore-Read类型的态，它们的填充因子分母为偶数，其中存在非阿贝尔任意子。在一个二维平面上，当若干非阿贝尔任意子被放置在固定的坐标时，系统仍可能存在若干简并的状态。交换两个非阿贝尔任意子时系统在简并空间中发生幺正变换，这一特性可用于开展拓扑保护的量子计算，获得了广泛关注。本项工作在填充因子- 9/2、-3/2、3/2、9/2处发现了分数量子霍尔态，吴英海副教授参与理论分析，结果表明其中三个应当属于Moore-Read类型的态。这一类态包含三个成员，分别称作Pfaffian、反Pfaffian、粒子空穴对称Pfaffian，一个困难且重要的问题是如何区分它们。近年来诺贝尔奖得主Haldane等人提出可以通过探测手征引力子激发来实现这一目标。数值计算给出的手征引力子谱函数表明本项工作中实现的应当是Pfaffian型的态，为进一步研究提供了有益的思路。

该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50589-2